第5章 声波在目标上的反射和散射1

次级声波——绕射波。
♀小目标：向空间各方向辐射次级声波——散射波。
♀与波长相当目标：反射、绕射、散射均起作用。
♀在声学中，近场次级声波——衍射波；远场次级声 波——散射波。在这里，统称为散射波。
5.5 目标回波
• 回波信号的形成
♀ 目标镜反射 镜反射是几何反射过程，服从反射定律。曲率半
径大于波长的目标，回波基本由镜反射过程产生，与 垂直入射点相邻的目标表面产生相干反射回声。
♀ 目标散射 目标表面不规则性，如棱角、边缘和小凸起物，
其曲率半径小于波长，回波由散射过程产生。
5.5 目标回波
• 回波信号的形成
5.5 目标回波
• 回波信号的形成
5.5 目标回波
• 回波信号的形成
♀ 目标再辐射
一般声纳目标为弹性物体，在入射声波的激励下， 目标某些固有振动模式被激发，向周围介质辐射声波， 它是目标回声组成部分，称为非镜反射回波。
为书写方便，将时间因 子 pi P0eit 省略。
设散射波声压为 ps，它满足波动方程：
1 r2
r
r 2
ps r
1 r 2 sin
s in
ps
r2
1 sin 2
2 ps 2
k 2 ps
0
k c
5.6 刚性球体散射声场
考虑入射波对x轴对称性，散射波也关于x轴对称，
则它与变量 无关 ，则：
♀ 调制效应
产生原因：
• 螺旋桨旋转引起目标的散射截面产生周期性变化， 引起回声幅度周期性变化。
• 运动船体与其尾流产生的两种回波干涉引起的调制 效应。
5.6 刚性球体散射声场
•上节讲述通过实验测量声纳目标的目标强度值； •本节讲述通过理论计算目标强度值及其物理特性。 •常见声纳目标几何形状基本接近于球形或柱形，将 其视为球体或圆柱体，简化数学运算，结果也适用 于实际声纳目标。
5.5 目标回波
• 回波信号的形成
弹性散射波－圆柱倾斜入射时弹性散射波 （汤渭霖、陈德智首先发现）
5.5 目标回波
• 回波信号的形成
弹性散射波－圆柱斜入射螺旋环绕波 （鲍小玲首先发现）
5.5 目标回波
• 回波信号的形成
弹性散射波的作用－高分辨率声呐的有限长圆 柱声图像
5.6 刚性球体的散射声场
i
m
2m
1P0
jm kr
r
hm1 k
r
r
r
a
散射波声压表达式为：
ps
m0
im 2m
1P0
djm ka d k a
dhm1 k a d k a
Pm
cos
hm1
k
re
it
对于散射波的远场，利用球汉克尔函数在大宗 量条件下近似展开：
hm1 kr
kr
i kr m1
1 e 2 kr
5.6 刚性球体散射声场
1 r2
r
r 2
ps r
1
r 2 sin
s in
ps
k
2
p
s
0
利用分离变量法，有：
ps Rr
根据勒让德方程的解有：
m am Pm cos
根据贝塞尔方程的解有：
根据辐射条件 cm 0
Rm bm hm1kr cm hm2kr
5.6 刚性球体散射声场
散射波声压的解为：
刚性不动球体物理含义： •刚性：在入射声波作用下球体不发生变形，声波透 不到球体内部，激不起球内部运动； •不动：球体不参与周围流体介质质点的运动。
5.6 刚性球体散射声场
取坐标系的原点和刚性球的球心重合，并取x轴 与入射平面波的传播方向一致，设刚性球的半径为a。 入射平面波声压为：
pi
P eikrcos t 0
远场散射波声压为：
ps
P0 kr
eikrt im 2m
m0
1
djm ka d k a
dhm1ka d k a
i
e
2m1 2
Pm
cos
记：
bm
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
5.5 目标回波
♀ 脉冲展宽
目标回声是由整个目标表面上的反射体和散射体 产生，整个物体表面都对回波有贡献。由于传播路径 不同，目标表面不同部分产生回波到达接收点在时间 上有先有后，加宽了回声信号的脉冲宽度。
平面波以掠射角入射到长
为L的目标上，在收发合置条
件下，回波脉冲将比入射脉 冲展宽：
2Lcos c
• 回波信号的一般特征
回波与入射波的差异 ♀ 多普勒频移
运动目标回波频率和入射波产生差异，这种差异 的大小 f 与入射波频率 f 及目标与声源之间距离变 化率V有关，满足如下关系：
f 2V f c
式中，c是海水中的声速。可以估计目标的速度。
目标接近声源时，取正号；目标远离声源时，取负号。 举例：声纳工作频率10 kHz，声源以10节（5 .15m/s）的 相对速度趋近目标时，回波频移为69Hz 。
它与目标力学参数、状态以及与入射声波相对位 置等因素有关。如下图所示，窄平面波脉冲入射到铝 球上接收到的回波脉冲串。
5.5 目标回波
• 回波信号的形成
♀ 回音廊式回声（环绕波）
声波入射到A点除产生镜反射波外，还有折射波 投射到目标内部。折射波在目标内部传播，在B、 C、…上同样产生反射和折射，到达G点时，折射波 恰好在返回声源的方向上，它是回波的一部分。
在窄脉冲入射下，目标为许多散射体组成复杂目标， 回声脉冲展宽明显；若回声主要过程是镜反射，回声脉 冲展宽可以忽略。举例：潜艇目标，在正横方向，回波 展宽仅为10ms，在首尾方位，回波展宽为100ms。
5.5 目标回波
♀ 包络不规则性
回声包络是不规则的，特别当镜反射不起主要作 用时更是如此。
原因：目标上各散射体的散射波互相迭加干涉引 起的。另外，在目标回声中，还可能有个别的亮点， 是由目标上某些部位的产生镜反射引起的。例如，潜 艇的指挥台，几何亮点和弹性亮点。
ps amPm cos hm1kr m0 待定常数，由边界条件确定
对于刚性球体有：
ur
ra
i
0
pi r
ps
0
ra
为了确定待定系数 am ，需要将入射波展开：
eikrcos 2m 1im jm krPm cos m0
5.6 刚性球体散射声场
根据边界条件，可确定待定系数 am ：
am
声波在目标上的反射和散射
5.5 目标回波
❖ 目标回波：声波在传播途中遇到障碍物时产生散射 声波中，返回声源方向那部分声波。
❖ 目标回波是散射波的一部分，是入射波与目标相互 作用产生的，它携带目标的某些特征信息 。
❖ 测量回波信号——分析处理——提取目标特征（先 验知识）——目标检测和识别。
❖ 回顾 ♀大目标：目标前方次级声波——反射波；目标后方